汽轮机推力瓦组件故障预报案例

汽轮机推力瓦组件故障诊断及预报

王平王牮

（北京博华科技北京市100029）

摘要：对于大型透平压缩机组推力轴承状态的监测及诊断，应该同时关注轴向位移信号中的稳态直流量和动态交流量信号，这样可以在诊断推力轴承组件的故障时，更加具体和准确的判断故障的类型。

关键词：透平压缩机推力轴承振动失效监测诊断

中图分类号：TP206

１引言

对于大型透平压缩机组，推力轴瓦的振动及其失效问题的重要性，通常是超过径向轴瓦的。因为一般情况下，径向振动严重通常损坏的是轴瓦和密封，而轴向振动和位移过大则损坏的是转子和隔板等价格更昂贵、制造时间更长的部件。然而，在实际生产运行中，往往较多地关心轴向位移传感器输出的直流量即位移值变化，不太关注轴向位移传感器输出的交流量即动态的振幅值的监测及分析。这样会造成对监测和诊断机组故障的非常有用的一些信息被忽视。我们在大型透平压缩机组实际监测和诊断过程中，体会到同时观察和分析推力轴承的宏观位移值和动态振幅值及其分量的变化，提取相关的特征量，对监测和诊断机组推力轴承的故障是很有效的方法。本文利用这种方法，提取轴瓦的故障特征信息，在推力轴瓦故障没有危及其他部件使用寿命之前，在机组还正常运行状态下，诊断出了故障原因，在机组解体检修之前，成功地预报了透平压缩机组推力轴承故障状态。

2 轴向振动

运行中的离心式压缩机转子，由于受叶轮轴向流体力的作用，所以要承受轴向力，并产生轴向移动，轴向力通过推力盘和油膜传给推力轴承，推力轴承同时限定转子的轴向位置，于是也就产生了转子的轴向移动和轴向振动，以及推力轴承的轴向振动。转子的轴向位移值和轴向振动值是压缩机的重要运行参数，决定着压缩机组的动静部件会不会发生碰磨，以及压缩机组是否能正常、安全运行。因此对于多数大型离心式压缩机组的监测保护系统来说，即使径向振动参数没有设定为联锁停机参数，而轴向位移和振动参数则通常都设定为联锁停机参数。然而此时，往往最关注的是监测轴向位移值，关心其值是否超过标准设定值，而并不太关注监测分析轴向动态振动幅值。

经过长期的现场监测与分析，我们认为在离心式压缩机的运行中，密切监测转子的轴位移值固然重要，而同时监测分析轴向动态振动信号，更能充分对转子的轴位移故障做出早期诊断。也就是说，在离心式压缩机的运行中，不仅要监测表征转子宏观轴向位置的直流量信号，还应该监测和分析转子停留在某一宏观位置之后，体现微小轴向动态变化的交流量信号。特别是在转子轴位移值发生异常变化时，更要重视轴向振动信号中交流量的变化，重视交流量的监测和分析。

3轴向振动监测与诊断

监测大型透平压缩机组的轴向位移和振动，一般使用安装在轴承座上的电涡流传感器来实现。检测到的轴位移信号可以从轴向振动和位移监测保护表的监视器上读出，或是从DCS 系统的监视器上读出。体现微小轴向动态变化的交流量信号则无法用上述两种方式读出，需要使用专用的在线振动监测振动系统或附加另外的仪器采集信号及对轴向动态振动信号进行监测和分析。采集和监测轴向动态振动信号是很容易实现的。而对轴向动态振动信号进行准确的分析既转子推力轴承的故障诊断，与对转子径向振动故障的诊断是有区别的。使用传统的振动信号谱分析方法诊断转子径向振动故障有很多规则、很多实例可以借鉴，单纯分析转子轴位移过大原因的问题也有较多实例，也得到验证，可是，分析大型透平压缩机组的轴向位移和轴向振动动态信号即推力瓦部件故障的诊断规则、实例、典型频谱却不多。

实际生产中，由于大型透平压缩机组异常的轴向位移和轴向振动，引起的推力轴承部件

失效故障比较多，故障的表现形式有多种，例如：推力盘几何形状问题（瓢摆）、转子推力盘修补用材料电磁特性影响、轴瓦巴氏合金层磨损、巴氏合金层龟裂脱落、推力轴承组件中零件损坏、推力盘刚度低、推力轴承支撑部位刚度低、轴位移传感器支架部件刚度太低、监测用涡流传感器中毒、轴向力过大、转子轴向力过小造成转子大幅度漂移等。

上述各种故障问题，多数可以通过机组的轴振动及位移监测系统指示的轴位移值变化中体现出来，但是仅仅靠轴位移值数据变化，却不能准确判断出具体是哪一种形式的故障，引起了转子轴位移值的变化。也就是通过监测宏观的轴位移值可以基本确定转子推力轴承运行状态的好坏，但不一定能准确诊断出引起推力轴承异常的具体原因。

如果进一步对转子轴向振动的动态信号进行分析，再辅以轴向振动与位移的趋势分析，就可以分析诊断出引起机组转子异常的轴向位移和轴向振动的具体故障原因。

首先，我们先把涡流传感器监测出的轴位移信号分成两部分，直流量和动态交流量，主要体现宏观轴位移值的总信号中以直流量为主。总信号中占较小比例的动态交流量即轴向动态振动信号，却携带着丰富的有价值的信息。当机组转子推力轴承轴位移发生异常时，通过对轴向动态振动信号的分析对比，可以诊断分析推力轴承的油膜厚度的变化、检测用的涡流传感器是否存在安装松动、推力轴承组件中零件是否损坏、转子是否存在有害的大幅度漂移、推力轴承组件是否松动等等。例如，如果轴向动态振动信号与波形峰峰值有减小的趋势变化，说明转子的轴向推力增大，油膜厚度变薄。如果轴向动态振动信号与波形和频谱图中低频分量增大，并且伴随有波动现象，说明可能存在：涡流传感器松动、推力轴承组件松动等问题，进一步确认如果排除涡流传感器松动问题，就可以诊断为推力轴承组件松动问题。

4 诊断实例

这是一台石油化工企业的大型裂解气透平压缩机组，由一台20MW的工业汽轮机串联驱动三台多级离心式压缩机，正常工作转速5000转/分～5223转/分，压缩机介质为乙烯装置的裂解气。机组配备有轴振动和轴向位移在线监测系统。推力轴承是米契尔氏轴承。

该机组从某年4月，低压缸的轴位移多次出现小幅度突升突降。同年8月升降幅度增大，波动范围130微米到500微米。8月25日，我们对压缩机组低压缸的轴位移状态进行了监测分析，利用在线振动监测系统采集的轴向振动和位移数据进行了趋势分析、轴向动态振动信号的波形分析和频谱分析。利用在线振动监测系统查阅分析了上一年12月到本年度8月的低压缸的轴位移数据，分析了轴位移值范围３～１９密尔之间的轴向动态振动信号的波形与频谱、变化趋势等。轴向振动异常期间的趋势图、波形图、频谱图见图1、图2、图3。

根据我们长期的观察，正常的轴位移动态振动信号的波形和频谱图是很稳定的，周期性很强，并且频率成分比较简单，通常只存在工频分量及其2、3….次谐波。而该机组低压缸的轴位移信号中的动态振动信号除了工频及谐波外，低频分量极丰富且幅值过高，位移信号动态波形也不正常，周期性很差，存在一些频率较低的随机干扰信号。

我们分析认为该机组低压缸的转子轴位移强烈波动的主要原因应该是：

低压缸的转子推力瓦组件定位紧固力不够，在不稳定气流作用下，转子受干扰，在某一门限值时产生强烈波动，实际在轴位移停留在某一固定值时，该机组低压缸的转子轴位移的波动也远远大于其它同类转子。